最終更新日: 2025 年 8 月 28 日

ハドロンの世界：LHCから中性子星まで

ハドロンと中性子星の芸術的表現 — *中性子星を背景にした、ハドロン (陽子と中性子) とその内部クォーク構造を示す芸術的なレンダリング。画像出典:astronoo.com*

ハドロン: 物質の中心に飛び込む

ハドロンは複合素粒子であり、自然界で最も強力な基本的な力である強い相互作用によって結合されたクォークから形成されます。それらは 2 つの大きなグループに分けられます。1 つは 3 つのクォークで構成されるバリオン (陽子や中性子のような)、もう 1 つはクォークと反クォークのペアで構成される中間子です。

ハドロンの構造と強い相互作用

強い相互作用を説明する理論は量子色力学 (QCD) です。この理論によれば、クォークは「色電荷」を運び、強い相互作用のベクトルであるグルーオンを交換します。 QCD の重要な特性は閉じ込めです。クォークは単独では存在できず、常にハドロン内に閉じ込められます。

ハドロンの結合エネルギーは関係 \(E = \sqrt{(pc)^2 + (mc^2)^2}\) で表すことができます。ここで \(m\) はハドロンの静止質量、 \(p\) はその運動量、 \(c\) は光の速度です。

注： :
そこには量子色力学 (QCD)を説明する理論です強い相互作用クォークとグルーオンの間。ゲージ対称性に基づいていますSU(3)そしてクォークの閉じ込め、つまりクォークを単独で観察することが不可能であることを説明します。同様に漸近的自由非常に短い距離では力が減少します。

ビッグバン後のハドロンの宇宙論的起源

数マイクロ秒後、ビッグバン、宇宙は非常に熱くて密度が高かったので、クォークとグルーオンは、クォーク・グルーオン・プラズマ。このとき、温度は \(10^{12}\,\text{K}\) を超えたため、クォークは安定した粒子に結合できなくなりました。宇宙の膨張により温度がこの臨界値を下回ると、クォークは合体し始めました。閉じ込める強い相互作用によって、初めての出産ハドロン(陽子と中性子)。

このプロセスのハドロン化最初の瞬間から約 \(10^{-6}\,\text{s}\) 後に発生しました。このときに形成された陽子と中性子は、地球が誕生する前の原始バリオン物質になりました。原始元素合成（ビッグバン後 1 ～ 3 分の間）これにより、ヘリウム、重水素、リチウムの最初の原子核の形成が可能になりました。

大型ハドロン衝突型加速器 (LHC)

CERN の LHC は、ハドロンを研究するためにこれまでに構築された最も強力な装置です。ビームあたり最大 6.8 TeV のエネルギーで陽子を衝突させることで、ビッグバン (\(t < 10^{-6}\) s) 直後の宇宙初期に広がった極限状態を再現します。

これらの衝突によって多数のエキゾチックなハドロンが生成されるため、物理学者は標準モデルの予測をテストし、このモデルを超えた物理学を探索できるようになります。 2012 年のヒッグス粒子の発見は、これを顕著に示しています。

中性子星のハドロン

超新星の超高密度の残骸である中性子星は、極限条件下でハドロン物質を研究するための自然の実験室です。その核の密度は \(3 \times 10^{17}\) kg/m3、つまり核密度の数倍を超える可能性があります。

これらの環境では、圧力が非常に強いため、ハドロンが「溶けて」クォークとグルーオンのプラズマ、つまり初期の宇宙に存在していたであろう物質の状態になる可能性があります。高密度ハドロン物質の状態方程式 \(P(\rho)\) は依然として現代物理学の大きな課題の 1 つであり、中性子星の可能な最大質量の理解に影響を及ぼします。

主要なハドロンの表

ハドロンの世界は非常に多様で豊かであり、最も魅力的で複雑な粒子群の 1 つとなっています。ハドロンの研究は、最も基本的な素粒子物理学を、宇宙で最も密度の高い物体の天体物理学に結びつけます。

つまり、ハドロンの世界は単なる粒子の集まりではありません。これは、原子核から中性子星に至るまで、宇宙の目に見える物質を構成するものについての理解の中心となる、複雑で動的な生態系です。

ハドロン	シンボル	構成	質量 (MeV/c²)	充電	スピン	分類
プロトン	p	ウード	938.3	+1	1/2	バリオン
中性子	n	ウッド	939.6	0	1/2	バリオン
ポジティブポーン	π⁺	u\(\bar{d}\)	139.6	+1	0	中間子
中立のポーン	π⁰	u\(\bar{u}\)/d\(\bar{d}\)	135.0	0	0	中間子
ポジティブカオン	K⁺	u\(\bar{s}\)	493.7	+1	0	中間子
ニュートラルカオン	K⁰	d\(\bar{s}\)	497.6	0	0	中間子
イータ	η	クォークと反クォークのペアの混合	547.9	0	0	中間子
ロー	ρ⁺	u\(\bar{d}\)	775.3	+1	1	中間子
デルタ	Δ⁺⁺	うーん	1232	+2	3/2	バリオン
ラムダ	Λ⁰	ウッズ	1115.7	0	1/2	バリオン
ポジティブシグマ	Σ⁺	うす	1189.4	+1	1/2	バリオン
ニュートラルシグマ	Σ⁰	ウッズ	1192.6	0	1/2	バリオン
習	Ξ⁰	私たち	1314.9	0	1/2	バリオン
オメガ	Ω⁻	ああ	1672.5	-1	3/2	バリオン
J/プサイ	J/ψ	c\(\bar{c}\)	3096.9	0	1	中間子
ウプシロン	ϒ	b\(\bar{b}\)	9460.3	0	1	中間子